Исследование работы доменной печи при совместной загрузке железорудных материалов и кокса в скип

Таблица 2.2.

Показатели доменной плавки в лучшие (по расходу кокса) периоды работы в режиме смешивания

Показатель	1984 г.		1985 г.
	май	июнь	май	июнь	Июль
Продолжительность, сут	30	30	30	30	30
Производительность, т/сут	2360	2315	2305	2398	2295
Расход: кокса, кг/т чугуна природного газа, м3/т известняка, кг/т	519 85 25	506 95 22	492 105 9	451 101 9	501 102 11
Рудная нагрузка, т/т	3,54	3,83	4,0	4,06	4,96
Массовая доля, %: Fe в рудной части шихты Si в чугуне	50,99 0,75	50,99 0,85	51,67 1,06	51,86 0,86	52,21 0,81
Дутье: количество, м3/мин давление, кПа температура, °С содержание О2, %	2150 230 1140 26,1	2107 249 1150 16,8	2287 245 1060 26,8	2488 260 1071 27,0	2554 267 1091 25,9
Колошниковый газ: температура, °С давление, кПа степень использования СО, %	329 132 40,32	324 135 40,62	348 139 41,96	327 145 41,50	327 146 42,41

 

Исследования показали, что при совместной загрузке агломерата и кокса в скип в печи формируется структура столба, существенно отличающаяся от обычно наблюдаемой. При обычных системах загрузки железорудные материалы и кокс в печи располагаются в основном слоями и слоистость структуры столба шихты сохраняется практически до зоны плавления. Физико-химические процессы в слоях протекают неодинаково и неравномерно, что объясняется различием в газодинамическом сопротивлении слоев кокса и агломерата по высоте и сечению печи, а также отличием теплофизических и химических свойств материалов. При слоистой структуре столба шихты возникает необходимость в создании значительной неравномерности в распределении слоев кокса и агломерата по сечению печи для обеспечения ровности хода  при соответствующей  интенсивности плавки по дутью.

При подаче в один скип агломерата и кокса, и смешивания их в процессе загрузки насыпная масса шихты возрастала в результате более плотной укладки материалов и повышения  рудных нагрузок.

Для структуры столба при загрузке со смешиванием характерна большая однородность, чем  при послойном расположении агломерата и кокса. Насыпная масса смеси (1,15-1,5 т/м3) на 7-25 % выше, чем при двухслойной укладке этих материалов (1,05-1,20 т/м3), а порозность соответственно ниже и составляет 53-35, по сравнению  с 57-48 %. Таким образом, в одном и том же объеме печи помещается шихтовых материалов в смеси значительно больше, чем при послойном их расположении.

Несмотря на более высокую плотность и меньшую порозность смешанного слоя, газопроницаемость его при равномерном распределении материалов по сечению может отличаться незначительно (при кусковой шихте) или быть значительно лучше (при количестве мелочи 0-5 мм в шихте более 30 %), чем при послойной загрузке. Увеличение массы шихты в одном и том же объеме (за счет агломерата), несмотря на некоторое уменьшение количества дутья, способствовало лучшему использованию полезного объема печи. Вследствие того, что эффект от увеличения рудной нагрузки был более значительным, чем влияние снижения интенсивности плавки по дутью, производительность печи не снижалась.

Формирование структуры столба из смешанной шихты приводит к более равномерному распределению газовой нагрузки. Газовая нагрузка на единицу агломерата (va ) в смеси возрастает, а на единицу кокса (vк) снижается, по сравнению со слоистой структурой, из-за уменьшения степени неравномерности распределения материалов по высоте и сечению печи. В результате меняется распределение температур ta, tк, tсм соответственно агломерата, кокса, смеси и перепада давления (∆Р). Характер изменения этих параметров в слоях агломерата (А), кокса (К), переходном (∆h) и смеси (СМ) представлен на рис. 4. Из приведенных данных видно, что характеристики отдельных слоев материалов и смеси значительно отличаются. Теплообмен при слоистой структуре столба шихты происходит практически в каждом слое материалов раздельно – между газом и коксом; газом и агломератом, и только на границе материалов (кокса и агломерата) возможен теплообмен и между твердыми материалами излучением и теплопроводностью в результате их контакта. Кокс и агломерат при слоевой структуре шихты в печи прогреваются до различных температур вследствие отличия в удельных количествах газа, приходящегося на слой коса и агломерата, из-за неравномерности их распределения, различия в размерах кусков, теплофизических характеристиках материалов, а также происходящих в них процессах. На температуру в слое агломерата значительное  влияние оказывает тепловой эффект реакции восстановления [11, 12]. В верхней ступени теплообмена при температурах 700-800 °С идет процесс восстановления Fe3O4 до FeO газами СО и Н2, сопровождающийся поглощением тепла (соответственно 20,96 и 62,41 МДж), что сказывается на температуре кусочков и слоя агломерата в целом.

Рис. 4. Характеристика слоев шихты при послойном (а) расположении агломерата и в смеси (б), обозначения в тексте

В нижней зоне теплообмена при 1000-1200 °С, где развито прямое восстановление FeO со значительным поглощением тепла (- 152 МДж), влияние процесса сказывалось еще больше на температуре слоя агломерата, разница температур в слоях кокса и агломерата достигла значительных величин. Результаты вертикального зондирования [11, 13] подтверждают, что в области интенсивного восстановления магнетита и, особенно прямого восстановления вюстита, на кривой распределения температур по высоте печи наблюдаются температурные остановки и даже снижение ее на 150 °С (рис. 5). Температура в слоях кокса в этих зонах, как правило, была на несколько градусов выше.

Рис. 5. Зависимость распределения состава (Н2О, Н2, СО2, СО), количества газа, теплофизических характеристик шихты (С – теплоемкости, λ – теплопроводности) по высоте доменной печи в зависимости от температуры в слое агломерата (ta) и кокса (tк)

 

Газ, являющийся теплоносителем, выполняет также функции посредника в массотеплообмене между слоями кокса и агломерата. Количество его изменяется при переходе от слоя к слою, вследствие различного газодинамического сопротивления слоев по высоте и сечению печи, что усугубляет его неравномерность в количестве выполняемой им работы. Теплообмен в слое между кусками однородных материалов при толщине слоев 100-400 мм практически отсутствует (температура поверхности примерно одинакова). Скорость нагрева кусков в определенной степени будет зависеть от их размеров, но при малой скорости опускания шихты (40-120 мм/мин) значительной разницы в температуре поверхности больших и малых кусков не наблюдается.

Из рис. 5 видно, что теплоемкость при нагреве до 1000 °С меняется для кокса от 0,8 до 1,48 кДж/(кг·К), для агломерата – от 0,6 до 0,96 кДж/(кг·К), то есть теплоемкость кокса примерно в 1,5 раза выше теплоемкости офлюсованного агломерата. Теплопроводность кокса в отличие от агломерата с повышением температуры снижается с 0,43 до 0,2 Вт/(м3 ·К) (агломерата – растет с 0,45 до 0,69 Вт/(м3 ·К)). Все это не может не сказаться на условиях теплообмена в отдельных слоях материалов и в смеси.

Разница в теплопроводности агломерата и кокса при высоких температурах возрастает (теплопроводность офлюсованного агломерата при 1373 К

λ а= 0,729 Вт/(м3·К), кокса λ к = 0,170 Вт/(м3·К), вследствие чего теплообмен на границе слоев между твердыми материалами (А – К) и в смеси усиливается.

Теоретические и экспериментальные исследования методом вертикального зондирования печи подтвердили, что тепловое взаимодействие между  кусками кокса и агломерата, находящихся в смеси, выравнивает температуры не только по сечению кусков, но и в целом уменьшает разность температур между ними на одном и том же горизонте. Взаимный теплообмен между коксом и агломератом, находящимся в смеси, выравнивает температуры на горизонте и обеспечивает более высокий и более равномерный прогрев материалов, опускающихся на нижние горизонты.

Расчеты по известным уравнениям теплопередачи в слое кусковых материалов [14, 15] показывают, что смешанные материалы прогреваются в верхней ступени теплообмена более равномерно, температура изменяется не так резко, как при послойной загрузке, что свидетельствует о более активном протекании процессов теплопередачи по высоте печи.

Определение термического КПД, характеризующего эффективность работы верхней и нижней ступени теплообмена более равномерно, показывает, что при загрузке в смеси значение его минимальны.

При послойной структуре столба шихты неравномерность тепловой и химической обработки материалов приводит к дополнительному перерасходу кокса в результате того, что значительная часть материалов приходит в горн недостаточно подготовленными. В слое материалов, находящихся в смеси, создаются более благоприятные условия теплообмена между ними (особенно в высокотемпературных зонах). Чем выше степень смешивания агломерата с коксом, тем выше эффект от теплообмена между ними. Расход кокса в этом случае будет снижаться, даже если общее содержание CO2 в колошниковом газе не возрастет.

При высокой степени смешивания материалов на горизонтах высоких температур (выше 950 °С) возможно увеличение прямого восстановления в результате тесного контакта кокса с агломератом. Уменьшение расхода кокса в этом случае объясняется снижением количества углерода, расходуемого непосредственно на реакцию прямого восстановления (по сравнению с косвенным) :FeO+C=Fe+CO-152,2 Мдж 9на 1000 кг Fe требуется 214 кг C) FeO+nC=Fe+CO+(n-1)CO2+13,6 МДж (на 1000 кг Fe - n·214 кг C).

Увеличение же теплопотребности реакции прямого восстановления в этом случае компенсируется улучшением (активизацией) теплообмена между коксом, агломератом и газом.

Расчеты показателей прямого и непрямого восстановления по материальным балансам доменных плавок показывают, что при смешивании железорудных материалов с коксом чаще наблюдается увеличение степени прямого восстановления ( в среднем с 0,3 до 0,37; хотя имеют место периоды, когда rd снижается до 0,23). В соответствии с тепловыми балансами плавок отмечается увеличение удельного расхода тепла на восстановление оксидов с 21-27 % при обычной системе загрузки до 25-32 % при загрузке в смеси и повышение коэффициента использования тепла на 5-10 %.

В зоне пластического состояния (1100-1350 °С) смешивание материалов способствует сокращению протяженности зоны размягчения, уменьшению толщины и сплошности непроницаемых для газа пластических слоев. Участки с размягченными материалами равномернее обрабатываются газом, быстрее прогреваются, вследствие чего интенсивнее восстанавливается вюститная фаза. Все эти изменения в процессе предопределили возможность снижения расхода топлива при загрузке железорудных материалов в смеси с коксом. Практика работы доменной печи подтверждает правильность этих положений.

 

2.2 Выводы

 

1. При подаче компонентов доменной  шихты в один скип происходит  перемешивание их при загрузке  и обеспечивается более равномерное  распределение материалов по сечению и высоте столба, вследствие чего процессы теплообмена и восстановления активизируются и более равномерно протекают по всему объему.

2. В столбе смешанных материалов, по сравнению с послойной структурой столба шихты, происходит перераспределение удельного количества газа: на единицу рудного материала – возрастает, кокса – уменьшается (при неизменном исходном количестве газа), что позволяет увеличивать рудные нагрузки.

3. Новый способ загрузки обеспечивает  формирование более рациональной структуры столба шихтовых материалов и способствует активизации процессов теплообмена и восстановления.

4. При смешанной структуре столба  шихты усиливается взаимный теплообмен железорудными материалами и коксом и создаются условия для роста степени прямого восстановления, возрастает тепловой КПД и увеличиваются удельные затраты тепла на восстановление оксидов.

5. При совместной загрузке регулирование  распределением материалов и  газов по сечению печи осуществляется  режимом загрузки материалов  в скип, изменением величины подачи  и уровня засыпи. С увеличением  степени смешивания материалов они равномернее распределяются  по сечению печи на уровне засыпи.

6. Промышленная проверка показала, что при работе печи с загрузкой  железорудных материалов и кокса  в один скип расход кокса  снижается на 2-8 %, в зависимости от исходных условий работы печи и степени смешивания при загрузке.

 

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

 

1. Разработана новая система загрузки доменной печи шихтовыми материалами – агломератом в смеси с коксом. В результате применения новой системы загрузки производительность печей возросла до 4%, а удельный расход кокса сократился до 9%.

2. Исследованиями установлено, что смешивание железорудных материалов с топливом путем совместной подачи их в скип несколько изменяет газодинамические условия доменной плавки, активизирует процессы, уменьшает сопротивление зоны пластического состояния.

3. Распределение материалов и газов при такой загрузке регулируется изменением очередности подачи железорудных материалов и топлива в скип.

4. Результаты опытных плавок на комбинатах им. Ф. Э. Дзержинского, «Криворожсталь» и работы доменных печей завода им. Г. И. Петровского показали, что на печах различного объема в зависимости от условий плавки достигается снижение расхода кокса на 2-8 и повышение производительности на 2-4%.